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문제 정의
- 본 연구에서는 동맥혈의 맥동성분에 대한 파장별 광흡수량 을 이용하여 산소포화도를 비침습적인 방법으로 연속적으로 모니터링할 수 있는 장치 및 구동 소프트웨어, 기저선을 보상 할 수 있는 신호처리 프로그램을 개발하였다. 개발된 장치를 평가하기 위해 Bio-Tek사의 펄스옥시미터 시뮬레이터로 산소 포화도 35~100%에서 상관계수(r-sq)가 0.
제안 방법
- DC-DC converter 방식의 전원회로를 이용하였으며 아날로 그 회로의 bias 전원으로 ±15V, 디지털 회로의 작동전원은 +5V를 사용하였으며, 아날로그 전원과 디지털 전원은 10gH 의 코일을 통하여 그라운드를 분리하였다.
- In vivo 실험을 위해 실제 사람이 호흡을 멈추고 상용 Fukuda denshi사의 Dinascope(DC 5300)의 산소포화도(SpC)2)측정 모 듈과 본 시스템의 프로브에서 4초 간격으로 동시에 측정한 값을 85~100%범위에서 비교하였다.
- AD converter# 통해서 sampling된 출력신호를 화면에 나타 내고, 수집된 데이터를 분석하여 혈액의 산소포화도를 나타내 도록 PC에서 데이터 처리 과정을 거치게 된다. Windows 98 환경에서 interrupt driven 방식으로 A/D sampling을 하였고, 여기에 동기하여 LED를 구동시키기 위하여 전용 하드웨어 device driver를 제작하였다. 또한 획득된 신호를 실시간으로 윈도우즈 화면상에 표시하기 위한 프로그램을 C++ Builder 4.
- 주로 산화, 환원 헤모글로빈의 흡광계수 (extinction coefficient) 값의 차가 가장 큰 660 nm와 기준파 장으로는 산화, 환원헤모글로빈의 흡광계수가 같아서 isosbestic point라고 불리는 805 nm 또는 산화 환원 헤모글로빈의 흡광 계수가 660 nm파장과 반대의 특성을 보이면서 흡수 스펙트럼 이 비교적 평평한 940nm파장이 이용되고 있는데, 본 연구에서는 세 파장을 모두 측정하여 파장간의 비를 비교하였다. 각 파장에 대한 비를 구하기 위해서 표 1의 4가지 알고리즘을 적용하였다.
- 피검사자의 호흡이나 다른 요인에 의한 미세한 움직임이 투 과된 광량을 나타내는 파형에는 기저선의 변화로 나타난다. 동 맥혈의 흡수에 의한 성분(AC) 외에 기저선의 값(DC)도 중요한 의미를 가지므로 잡음에 해당하는 기저선 변화를 보상하는 방법을 다음과 같이 제안하였다.
- 수집된 신호는 산소포화도와의 상관관계를 입증하기 위한 신 호처리 분석과정을 거치게 된다. 수집된 데이터는 30Hz low pass filter를 거쳐서 그림 4의 block 16 이후의 flow chart와 같은 과정을 통하여 처리되고 이 결과를 가지고 산소포화도 측 정을 위한 4가지 분석 알고리즘에 적용하였다. 분석 소프트웨 어는 Microsoft의 Visual C++ 6.
- 산소포화도의 측정에 있어서 헤모글로빈의 흡광도 특성을 고려하여 주로 650-1100 nm 영역에서 적색광과 적외광의 두 개의 파장을 이용한다. 주로 산화, 환원 헤모글로빈의 흡광계수 (extinction coefficient) 값의 차가 가장 큰 660 nm와 기준파 장으로는 산화, 환원헤모글로빈의 흡광계수가 같아서 isosbestic point라고 불리는 805 nm 또는 산화 환원 헤모글로빈의 흡광 계수가 660 nm파장과 반대의 특성을 보이면서 흡수 스펙트럼 이 비교적 평평한 940nm파장이 이용되고 있는데, 본 연구에서는 세 파장을 모두 측정하여 파장간의 비를 비교하였다. 각 파장에 대한 비를 구하기 위해서 표 1의 4가지 알고리즘을 적용하였다.
- 투과광 측정시 20 kHz의 AD 샘플링 신호에 동기하여 LED를 순차적으로 점멸시키도록 설계하여 각 파장별로 초당 80개의 sample을 획득하여 혈류량 변화에 따른 맥동성분을 관 찰할 수 있도록 하였다. 수동모드에서는 각 파장별 LED를 해당 버튼을 이용하여 배타적으로 점멸시킬 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 광원으로는 peak wavelength가 각각 660, 805, 940 nm인 LED를 사용하였으며 LED와 silicon photodiode 사이의 거리는 15 mm정도로 유지하였다. probe의 표면은 회색 실리콘 고무를 입혀서 산소포화도 측정시 조직에 잘 밀착될 수 있게 하였다.
- 아날로그 신호 획득에는 AdvanTech사의 16 bit A/D board (PCL816)를 사용했으며, 총 8개의 차동 입력 채널가운데 '한 채널만 사용하였다.
- 수광부 회로는 probe에서 감지한 전류 파형을 전압 파형으 로 변환시켜주는 역할을 하는 회로와 저역 여파기 (Low pass filter)로 구성된다. 저역여파기는 차단주파수가 L8kHz인 4차 butter-worth filter를 사용하였다. 수광회로의 증폭단의 이득은 2000배로 하였다.
데이터처리
- 맥동성분의 면적비를 이용하는 계산은 정맥의 혈 류량을 계산하는 방법으로 맥파의 진폭비를 구하는 방법보다 기기에 의한 고주파수 성분의 잡음과 동잡음(motion artifact) 과 같은 저주파수 성분에 의한 영향에 덜 민감한 장점이 있다. 각각의 경우 데이터들에 대해 선형적합(Linear fitting)식을 만들어 상관계수(r, correlation coefficient) 및 산소포화도의 표준편차(sd, standard deviation)값을 비교한 결과를 표 2에 나타내었다. 각 계산방법에 대해 알고리즘 4와 3, 1의 순서로 correlation이 우수하게 나타났으며 맥동성분의 면적을 계산한 방법이 진폭값으로 계산하는 방법보다 좀 더 좋은 결과를 보 여주었다.
- 개발된 산소포화도 측정장치의 성능을 평가하기 위하여 Bio- Tek사의 펄스 옥시미터 시뮬레이터를 사용하여 산소포화도 35- 100%에서 테이터를 획득하여 calibration curve를 얻었고 그림 5에 그래프를 나타내었다. Polynomial fitting 결과 상관계수(r- sq)가 0.
- 본 연구에서는 동맥혈의 맥동성분에 대한 파장별 광흡수량 을 이용하여 산소포화도를 비침습적인 방법으로 연속적으로 모니터링할 수 있는 장치 및 구동 소프트웨어, 기저선을 보상 할 수 있는 신호처리 프로그램을 개발하였다. 개발된 장치를 평가하기 위해 Bio-Tek사의 펄스옥시미터 시뮬레이터로 산소 포화도 35~100%에서 상관계수(r-sq)가 0.99985인 calibration curve를 얻었고 높은 정확도와 선형성이 요구되는 산소포화도 75~100%범위에서는 다양한 알고리즘 및 신호처리 방법을 적용하여 데이터를 비교 분석하였다. 실험결과, 진폭비(Peakvalley method)를 사용하는 경우보다 적분비를 사용하는 방법 과, ln(IP/Iv) 값을 %값으로 보정하는 알고리즘 4의 경우가 선형적합시 선형성(r)과 정확도(sd)에서 보다 우수한 결과를 보 여주었다.
이론/모형
- 더욱 정확한 측정 및 선형성이 요구되는.산소포화도 75~ 100% 범위의 시뮬레이터 출력값에 대한 측정 데이터를 얻고 위에서 제안된 4가지의 알고리즘을 맥동성분의 진폭비(Peak- ValleyX 이용한 방법 및 면적 (Area)을 이용한 방법에 따라 처리하였다. 맥동성분의 면적비를 이용하는 계산은 정맥의 혈 류량을 계산하는 방법으로 맥파의 진폭비를 구하는 방법보다 기기에 의한 고주파수 성분의 잡음과 동잡음(motion artifact) 과 같은 저주파수 성분에 의한 영향에 덜 민감한 장점이 있다.
성능/효과
- 개발된 산소포화도 측정장치의 성능을 평가하기 위하여 Bio- Tek사의 펄스 옥시미터 시뮬레이터를 사용하여 산소포화도 35- 100%에서 테이터를 획득하여 calibration curve를 얻었고 그림 5에 그래프를 나타내었다. Polynomial fitting 결과 상관계수(r- sq)가 0.99985, 산소포화도(SpO, 의 표준편차(sd)는 0.2551로 좋은 상관관계를 얻을 수 있었다.
- 각각의 경우 데이터들에 대해 선형적합(Linear fitting)식을 만들어 상관계수(r, correlation coefficient) 및 산소포화도의 표준편차(sd, standard deviation)값을 비교한 결과를 표 2에 나타내었다. 각 계산방법에 대해 알고리즘 4와 3, 1의 순서로 correlation이 우수하게 나타났으며 맥동성분의 면적을 계산한 방법이 진폭값으로 계산하는 방법보다 좀 더 좋은 결과를 보 여주었다.
- 그림 6에서는 호흡을 멈추면(stop) 시간의 경과에 따라 Ratio of Ratio값이 증가하다가 약 90초 후, 호흡을 시작하면 (start) 다시 감소하는 결과로부터 산소포화도가 감소하였다가 증가하는 것을 알 수 있으며 측정데이터가 산소포화도를 잘 반영한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 R66005보다 Reeo/ R940 파장 set이 산소포화도 변화에 대해 더 크게 변화하는 것을 알 수 있다.
- 기저선 보상방법을 적용했을 때 r값과 sd값이 모두 향상되 었으며 또한 R66OJR8O5의 데이터보다는 R660/R940파장으로 측정한 결과가 보다 선형성이 좋고 표준편차가 적었다.
- 본 연구에서는 Bio-Tek사의 펄스 옥시미터 시뮬레이터를 이용하여 보다 높은 정확도가 요구되는 산소포화도 75-100% 범위에서 다양한 신호처리방법(peak-valley method, area measurement method) 및 알고리즘을 비교하고, 맥동 성분의 기저선을 보상하는 신호처리 방법 (baseline correction method) 을 개발하고 적용하여 실제 in-vivo 테스트 결과가 향상되는 것을 확인하였다.
- 이동 평균은 가장 간단한 형태의 저역 통과 필터로 제안된 방법의 장점은 맥파성분 이외의 신호를 비교적 정확하게 소거 할 수 있으며 초기 조건에 무관하게 안정적이며 선형적인 위 상응답 특성을 가진다. 본 연구에서는 제안된 방법에 의한 신호처리 결과가 정량적으로 기저선 변동이 보상됨을 실제 임 상데이터를 통하여 검증하였다.
- 산소포화도 85~100%의 범위에서 얻어진 65개 데이터(RW R940)들을 동시에 측정하고 Fukuda denshi장비에서의 산소포화 도 측정값을 기준값으로 하여 선형적합(Linear fitting)한 결과, 값은 0.958, 산소포화도의 ・sd값은 1.4033으로 본 연구에서 개발된 펄스옥시미터에서의 산소포화도 측정값이 상용 산 소포화도 측정기의 값과 잘 맞는 결과를 얻을 수 있었다.
- 실험결과, 진폭비(Peakvalley method)를 사용하는 경우보다 적분비를 사용하는 방법 과, ln(IP/Iv) 값을 %값으로 보정하는 알고리즘 4의 경우가 선형적합시 선형성(r)과 정확도(sd)에서 보다 우수한 결과를 보 여주었다. 실제 사람이 호흡을 멈추고 상용 산소포화도(SpO 측정장비의 프로브와 개발된 장치의 프로브에서 산소포화도를 동시에 측정한 결과, 산소포화도 85~100%범위에 대해 기저선 보상을 위한 새로운 신호처리방법을 적용한 경우, 데이터의 분 석결과가 향상된 것을 알 수 있었으며 660nm(Red)와 940 nm(IR) 파장의 비와 660nm(Red)와 805 nm(IR) 파징.의 비를 구하고 그 결과를 비교했을 때, 두 가지 경우 모두 우수한 선 형성을 보여주었으나 660nm와 940 nm 파장을 이용한 경우 (*694)가 선형성 (r)이 더 좋고 표준편차(sd)값은 작아서 보다 정확도가 높은 결과를 얻게됨을 알 수 있었다.
- 99985인 calibration curve를 얻었고 높은 정확도와 선형성이 요구되는 산소포화도 75~100%범위에서는 다양한 알고리즘 및 신호처리 방법을 적용하여 데이터를 비교 분석하였다. 실험결과, 진폭비(Peakvalley method)를 사용하는 경우보다 적분비를 사용하는 방법 과, ln(IP/Iv) 값을 %값으로 보정하는 알고리즘 4의 경우가 선형적합시 선형성(r)과 정확도(sd)에서 보다 우수한 결과를 보 여주었다. 실제 사람이 호흡을 멈추고 상용 산소포화도(SpO 측정장비의 프로브와 개발된 장치의 프로브에서 산소포화도를 동시에 측정한 결과, 산소포화도 85~100%범위에 대해 기저선 보상을 위한 새로운 신호처리방법을 적용한 경우, 데이터의 분 석결과가 향상된 것을 알 수 있었으며 660nm(Red)와 940 nm(IR) 파장의 비와 660nm(Red)와 805 nm(IR) 파징.
- 의 비를 구하고 그 결과를 비교했을 때, 두 가지 경우 모두 우수한 선 형성을 보여주었으나 660nm와 940 nm 파장을 이용한 경우 (*694)가 선형성 (r)이 더 좋고 표준편차(sd)값은 작아서 보다 정확도가 높은 결과를 얻게됨을 알 수 있었다. 위의 우수한 결과들을 신호처리방법으로 적용함으로써 동잡음에 의한 영향을 적게 받으면서, 산소포화도 75~100%에서 ±2~3%의 정확도를 갖는 기존의 상용 시스템보다 진단의 정확도와 신뢰 도가 높은 비침습적 산소포화도 측정장치를 개발할 수 있을 것이다.
- 실제 사람이 호흡을 멈추고 상용 산소포화도(SpO 측정장비의 프로브와 개발된 장치의 프로브에서 산소포화도를 동시에 측정한 결과, 산소포화도 85~100%범위에 대해 기저선 보상을 위한 새로운 신호처리방법을 적용한 경우, 데이터의 분 석결과가 향상된 것을 알 수 있었으며 660nm(Red)와 940 nm(IR) 파장의 비와 660nm(Red)와 805 nm(IR) 파징.의 비를 구하고 그 결과를 비교했을 때, 두 가지 경우 모두 우수한 선 형성을 보여주었으나 660nm와 940 nm 파장을 이용한 경우 (*694)가 선형성 (r)이 더 좋고 표준편차(sd)값은 작아서 보다 정확도가 높은 결과를 얻게됨을 알 수 있었다. 위의 우수한 결과들을 신호처리방법으로 적용함으로써 동잡음에 의한 영향을 적게 받으면서, 산소포화도 75~100%에서 ±2~3%의 정확도를 갖는 기존의 상용 시스템보다 진단의 정확도와 신뢰 도가 높은 비침습적 산소포화도 측정장치를 개발할 수 있을 것이다.
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